算法设计与分析实验报告c++实现(排序算法、三壶谜题、交替放置的碟子、带锁的门)

一、实验目的

1．加深学生对分治法算法设计方法的基本思想、基本步骤、基本方法的理解与掌握；
2．提高学生利用课堂所学知识解决实际问题的能力；
3．提高学生综合应用所学知识解决实际问题的能力。

二、实验任务

1、编写一个生命游戏：
规则如下：（或者网上找到更详细的规则）
一个人可以有8个邻居；
一个人若只有一个邻居，在下一代会孤独的死去；
若有2或3个邻居，在下一代依然活着；
若有4个或以上邻居，在下一代会因拥挤而死；
死去的人若有3个邻居，在下一代会复活；
所有的死去或复活都在下一代变化时同时发生。
2、带锁的门：
在走廊上有n个带锁的门，从1到n依次编号。最初所有的门都是关着的。我们从门前经过n次，每次都从1号门开始。在第i次经过时（i = 1,2，…, n)我们改变i的整数倍号锁的状态；如果门是关的，就打开它；如果门是打开的，就关上它。在最后一次经过后，哪些门是打开的，哪些门是关上的？有多少打开的门？
3、排序算法
目前已知有几十种排序算法，请查找资料，并尽可能多地实现多种排序算法，并分析算法的时间复杂度。比较各种算法的优劣。
4、三壶谜题：
有一个充满水的8品脱的水壶和两个空水壶（容积分别是5品脱和3品脱）。通过将水壶完全倒满水和将水壶的水完全倒空这两种方式，在其中的一个水壶中得到4品脱的水。
5、交替放置的碟子
我们有数量为2n的一排碟子，n黑n白交替放置：黑，白，黑，白…
现在要把黑碟子都放在右边，白碟子都放在左边，但只允许通过互换相邻碟子的位置来实现。为该谜题写个算法，并确定该算法需要执行的换位次数。

三、实验设备及编程开发工具

实验设备：Win10 电脑
开发工具：Microsoft Visual C++

四、实验过程设计（算法设计过程）

（一）、生命游戏

1、算法分析：
生命游戏的规则可简化如下：
1.邻居个数为0，1，4，5，6，7，8时则该细胞下次的状态为死亡。
2.邻居个数为2时，则该细胞下次状态为复活。
3.邻居个数为3时，则该细胞下次状态为稳定，运行结果为生成细胞存活的状态图。
4.最初细胞默认都是死亡状态，活细胞需要自己设定生成。

2、代码实现：

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <conio.h>
#include <iostream>
#define ROWLEN 10//二维空间行数； 
#define COLLEN 10//二维空间列数； 
#define DEAD 0 //死细胞； 
#define ALIVE 1 //活细胞； 
using namespace std;
int cell[ROWLEN][COLLEN];//当前生命细胞的状态；
int celltemp[ROWLEN][COLLEN];//用于判断当前细胞的下一个状态
void initcell() {int row,col;for(row=0; row<ROWLEN; row++) {for(col=0; col<COLLEN; col++) {cell[row][col]=DEAD;}}printf("输入一组活细胞的坐标位置,输入(-1,1)结束\n");while(1) {printf("输入一个活细胞的坐标位置: ");cin>>row>>col;if(0<=row&&row<ROWLEN&&0<=col&&col<COLLEN) {cell[row][col]=ALIVE;} else if(row==-1||col==-1) {break;} else {printf("输入坐标超过范围。\n");}}}
int LinSum(int row,int col) {int count=0,c,r;for(r=row-1; r<=row+1; r++) {for(c=col-1; c<=col+1; c++) {if(r<0||r>=ROWLEN||c<0||c>=COLLEN) {continue;}if(cell[r][c]==ALIVE) {count++;}}}if(cell[row][col]==ALIVE) {count--;}return count;
}
void OutCell() {int row,col;printf("\n细胞状态\n");for(col=0; col<COLLEN-1; col++) {}cout<<endl;for(row=0; row<ROWLEN; row++) {for(col=0; col<COLLEN; col++) {switch(cell[row][col]) {case ALIVE:printf("●");//活细胞；break;case DEAD:printf("○");//死细胞；break;default:;}}printf("\n");}
void cellfun() {int row,col,sum;int count=0;for(row=0; row<ROWLEN; row++) {for(col=0; col<COLLEN; col++) {switch(LinSum(row,col)) { //四周活细胞适量；case 2:celltemp[row][col]=cell[row][col];//保持细胞原样；break;case 3:celltemp[row][col]=ALIVE;//复活；break;default://死了；celltemp[row][col]=DEAD;}}}for(row=0; row<ROWLEN; row++) {for(col=0; col<COLLEN; col++) {cell[row][col]=celltemp[row][col];}}for(row=0; row<ROWLEN; row++) {for(col=0; col<COLLEN; col++) {if(cell[row][col]==ALIVE) { //如果是活细胞；count++;//累计或细胞数量；}}}sum=count;OutCell() ;//显示当前细胞状态；printf("当前状态下，一共有%d个活细胞。\n",sum);
}
int main() {char again;printf("生命游戏!\n") ;initcell();						//初始化OutCell();						//输出初始细胞状态；printf("按任意键开始游戏,进行细胞转换。\n");getch() ;
S1:cellfun();
S2:printf("\n继续生成下一次细胞状态(y/n)?");fflush(stdin);cin>>again;if(again=='y'||again=='Y') {goto S1;} else if(again=='n'||again=='N') {goto S3;} else {printf("输入错误，请重新输入!\n");goto S2;}
S3:printf("游戏结束!\n");return 0;
}

生命游戏
1、实验结果

2、算法复杂度分析
时间复杂度：O(n^2)

（二）、带锁的门

1、算法分析：
从1-n的所有门，要经过n次：经过K次，若k（k<=n）可分解为i*j（i！=j），则第k个门一定会有偶数次开关门的变化，则最后门的状态还是关闭。如k = 18，可以分解成1x18，2x9，3x6，则第1次，2次，3次，6次，9次，18次经过第18号门，均会变化开关门的状态，原来是关门，经过偶数次变化，最终状态还是关门；若k为完全平方数，如1、4、9、16，则第k个门只会有奇数次变化。如k=4，只有1、2、4次经过会变化状态，故最后门是开的。按照如上的分析，我们只需要判断1-n个门中有多少个完全平方数，即可确定门开着的数目。

2、代码实现：

#include <stdio.h>
#define N 100
int main()
{
int L[N];
int i,j,k;
int n;
printf("输入门的总数，要求小于100：");
while(1)
{scanf("%d",&n);if(n<0||n>100)printf("输入错误,请重新输入");else break;
}
for(i=0;i<n;i++)L[i]=0;
for(j=1;j<=n;j++)
for(k=1;k<=n;k++)
if(k%j==0)
L[k-1]=(L[k-1]+1)%2;
for(i=0;i<n;i++)
{
if(L[i]==1)
printf("第%d号门开着\n",i+1);
}
printf("\n");
return 0; 
}

带锁的门
1、实验结果

2、算法复杂度分析
时间复杂度：O(n^2)

（三）、排序算法

1、冒泡排序

冒泡排序是一种简单的排序算法。它重复地走访过要排序的数列，一次比较两个元素，如果它们的顺序错误就把它们交换过来。走访数列的工作是重复地进行直到没有再需要交换，也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。
算法描述
a、比较相邻的元素。如果第一个比第二个大，就交换它们两个；
b、对每一对相邻元素作同样的工作，从开始第一对到结尾的最后一对，这样在最后的元素应该会是最大的数；
c、针对所有的元素重复以上的步骤，除了最后一个；
d、重复步骤1~3，直到排序完成。

2、快速排序

快速排序的基本思想：通过一趟排序将待排记录分隔成独立的两部分，其中一部分记录的关键字均比另一部分的关键字小，则可分别对这两部分记录继续进行排序，以达到整个序列有序。快速排序使用分治法来把一个串（list）分为两个子串（sub-lists）。

**具体算法描述如下：**从数列中挑出一个元素，称为 “基准”（pivot）；重新排序数列，所有元素比基准值小的摆放在基准前面，所有元素比基准值大的摆在基准的后面（相同的数可以到任一边）。在这个分区退出之后，该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区（partition）操作；递归地（recursive）把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序。

3、归并排序

归并排序是建立在归并操作上的一种有效的排序算法。该算法是采用分治法（Divide and Conquer）的一个非常典型的应用。将已有序的子序列合并，得到完全有序的序列；即先使每个子序列有序，再使子序列段间有序。若将两个有序表合并成一个有序表，称为2-路归并。
算法描述
a、把长度为n的输入序列分成两个长度为n/2的子序列；
b、对这两个子序列分别采用归并排序；
c、将两个排序好的子序列合并成一个最终的排序序列。

4、计数排序

计数排序不是基于比较的排序算法，其核心在于将输入的数据值转化为键存储在额外开辟的数组空间中。作为一种线性时间复杂度的排序，计数排序要求输入的数据必须是有确定范围的整数。
算法描述
找出待排序的数组中最大和最小的元素；统计数组中每个值为i的元素出现的次数，存入数组C的第i项；对所有的计数累加（从C中的第一个元素开始，每一项和前一项相加）；反向填充目标数组：将每个元素i放在新数组的第C(i)项，每放一个元素就将C(i)减去1。

（四）、三壶谜题

1、算法分析：
可以把每次三个水壶中水量设成一组状态，比如初始状态为008，对应第一个水壶0品脱水，第二个水壶0品脱水，第三个水壶8品脱水。对题目的状态空间图进行广度优先遍历。当表示状态的数字中出现4时，即求出答案。
（1）打印倒水的过程，需要声明一个前置状态保存当前状态由哪个状态转换而来，然后就可以回溯到初始状态，打印出倒水过程。
（2）声明一个map表，保存已有的状态，对已有的状态就不再向下继续遍历。
（3）因为是广度优先遍历，所以第一次得到的答案所需的倒水次数最少，即为最优解。
2、代码实现：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <map>
#define MaxFirst 3
#define MaxSecond 5
#define MaxThird 8
using namespace std;
class State
{
public:int second;int num[3];State* preState;static map<int,int> mapping;
public:State(int first,int second,int third){num[0]=first;num[1]=second;num[2]=third;	}void init(){		mapping[0]=MaxFirst;mapping[1]=MaxSecond;mapping[2]=MaxThird;}bool canPour(int from,int to)//判断是否可以从from水壶中倒水到to水壶中{if(num[from]==0){return false;}if(num[to]==mapping[to]){return false;}else {return true;}}void pour(int from,int to)//倒水过程{if(num[from]+num[to]>mapping[to]){num[from]=num[from]-(mapping[to]-num[to]);num[to]=mapping[to];}else{num[to]=num[to]+num[from];num[from]=0;}}};
map<int,int> State::mapping;
int main()
{map<int,int> states;State *start=new State(0,0,8);start->init();State *state=start;State *endState=new State(8,8,8); //只有获得解endState才会改变，赋值全为8为了方便判断是否获得最终解vector<State> action; //保存所有状态对象action.push_back(*start); //把初始状态先加入队列中int n=0;do{for(int i=0;i<3;i++) //双层循环为从i水壶中倒水入j水壶中{for(int j=0;j<3;j++){if(i!=j){if(state->canPour(i,j)){state->pour(i,j);if(states[state->num[0]*100+state->num[1]*10+state->num[2]]==0)//如果该状态不在hash表中，即为第一次出现该状态{states[state->num[0]*100+state->num[1]*10+state->num[2]]++;(state->preState)=new State(action[n]);action.push_back(*state);if(state->num[0]==4||state->num[1]==4||state->num[2]==4)//获得解{endState=state;i=4;break;	}}}}*state=action[n];}			}n++;}while(endState->num[0]==8&&endState->num[1]==8&& n<action.size());cout<<endState->num[0]<<" "<<endState->num[1]<<" "<<endState->num[2]<<endl;state=endState;do{state=state->preState;cout<<state->num[0]<<" "<<state->num[1]<<" "<<state->num[2]<<endl;		}while(state->num[2]!=8);return 0;
}

三壶谜题
1、实验结果

2、算法复杂度分析
时间复杂度：O(n^2)

（五）、交替放置的碟子

1、算法分析：
将问题进行转化：用1表示黑碟子，0表示白碟子，那么目前的顺序是：1010…1010，结果要求1均放在右边，0放在左边。分析题意，算法思路符合冒泡排序算法：对于2n个碟子，可以使用n次迭代完成，交换的次数为：n+(n-1)+…+2+1，即n(n+1)/2。
2、代码实现：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> 
int main()
{int n,num=0;printf("输入碟子的总数量:");scanf("%d",&n);int sum[100];// 将所有碟子存放在一个数组里,设白碟子值为1，黑碟子值为2，//初始排序为：21212121……//换位后排序为 11112222……for(int i=0;i<=(n-2)/2;i++){sum[2*i]=2;sum[2*i+1]=1;}printf("碟子的初始状态如下:\n");//输出碟子的初始排序 for(i=0;i<n;i++){printf(sum[i]+" ");if(sum[i]==1){printf("白 ");}else{printf("黑 ");}}printf("\n");//进行排序for(i=0;i<n-1;i++){for(int j=0;j<(n-1-i);j++){if(sum[j+1]<sum[j]){int t=sum[j];sum[j]=sum[j+1];sum[j+1]=t;num++;}}}printf("排序后的顺序为:\n");for(i=0;i<n;i++){printf(sum[i]+" ");if(sum[i]==1){printf("白 ");}else{printf("黑 ");}}printf("\n一共换位了%d次",num);printf("\n");return 0;
}

交替放置的碟子
1、实验结果

2 算法复杂度分析
时间复杂度：O(n(n+1)/2)

五、实验小结（包括问题和解决方法、心得体会等）

通过这次实验，我对算法设计有了更深的认识。在以前的学习中，我认为代码部分是最困难的，而现在我的观念有了转变。很多的问题是源于生活的，大多算法的规则不会像数学公式一样刻板规矩，我们在学习算法的过程中最先要做的是，学会分析实际问题，形成算法思想。在厘清题意的基础上编写实验代码，编译运行后进行相应的优化改进，在解决问题的过程中逐渐提高自己的逻辑思维能力和编程能力。